單面差動結構線性化矽電容壓力傳感器的製作方法

2023-04-28 09:27:21

專利名稱：單面差動結構線性化矽電容壓力傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種力敏傳感器，特別是一種用於壓力測量的單面差動結構線性化矽電容壓力傳感器。
現有傳統型機械結構式電容壓力傳感器，已被應用很長一段時間。它是採用機械加工技術，不宜批量生產且體積較大的傳統工業產品。小型化矽電容壓力傳感器則是近十年左右國際上日益發展起來的新型產品。主要是採用了微機械加工技術和集成電路工藝技術。它具有體積小、易於批量重複製造、低成本的優點，同時保持了電容傳感器的高靈敏度、低溫度係數和高穩定性的優良品質。但是影響矽電容壓力傳感器推向商品化的一大阻礙是其固有的傳感非線性機制。雖然非線性可以用後部電路或在微處理器上給予補償，但其小體積、低成本的優勢將被削弱；如非線性有分散性而需逐支補償，則批量生產效率將極大降低。

圖1為現有國外大多採用的矽電容壓力敏感結構的截面示意圖。結構中一般都包括有一個感壓電容和一個固定的參考電容。參考電容是用來抵消感壓電容受溫度等影響帶來的漂移效應。這裡設感壓電容和參考電容分別為Ca和Cb，無壓力作用時兩電容間距都為do，極板面積為A，受壓力P作用時，感壓電容極板移動距離為△d。為實現信號讀出，圖2顯示了目前電容式傳感器普遍採用的二極體橋式解調接口電路的電路原理圖。根據接口公式Vout＝2(Vp－Vd)· (Ca－Cb)/(Ca＋Cb)
其中Vp為激勵電源幅值，Vd為二極體正嚮導通壓降。
這裡電容表達為Ca＝∫A(ε·dA)/(do-△d(x·y))Cb＝ (A)/(do)其中為電容價電常數，△d(xy)為電容膜片上各點的撓距，各點的△d(xy)與壓力P成正比，但各點的△d(xy)各不相同，經過數學推導可以看出輸出的非線性十分大(可變的電容C1在公式的分子和分母中同時出現)，眾多產品給出的實現非線性都達到了±10％FS到±20％FS以上。這樣的輸出是不能直接應用的。80年代後期國外曾提出過一種方法，在理論上可大大降低非線性。但它需配以由CMOS運算放大器構成的複雜的接口電路形式，其中也用到了模擬開關。由於CMOS型開關和運算放大器的諸多寄生電容的參與作用，使這種技術在實際中無法達到理論上消除非線性的目的。故該種方法至今無法生產出可以實際應用的產品。因此，現有各種技術都難以解決非線性輸出問題。
本實用新型的目的是提供一種單面差動結構線性化矽電容壓力傳感器，它容易製造，可有效解決現有技術中的輸出非線性問題，進一步提高壓力測量精度，顯著提高輸出靈敏度。
本實用新型的目的是這樣實現的該裝置包括封裝在上玻璃蓋板和下玻璃極板間的兩電容及與其相配合的接口電路，其中採用矽片製成的矽電容極板加工有Si3N4薄膜的兩端，均位於下玻璃極板的同一側，構成力學結構完全相同的受壓可動電容C1、C2，電容C1的下腔與電容C2的上腔相連通，電容C1的上腔與電容C2的下腔相連通。
由於本實用新型採用具有單面差動式結構的矽電容，力學結構完全相同的兩電容的各封閉上腔或下腔，分別通過互不相通的通道交叉連通，所以可使兩電容C1、C2在壓力作用下，一個增大，則另一個減小，其變化量的絕對值相同，可使其相互抵消來自諸如溫度變化和結構應力以及測量振動等因素對測量精度的影響，實現片上自補償。因此，電容變化量與壓力成正比，其被接口電路普通二極體橋式解調電路所輸出的直流電壓與壓力呈線性關係，從而有效解決了現有技術中的輸出非線性問題。由於這種單面差動式結構的力學結構完全相同的兩個電容都對壓力敏感，故靈敏度較現有技術的電容元件提高一倍。
以下結合附圖對本實用新型作進一步說明。
圖1是現有技術傳感器的結構示意圖。
圖2是普通接口電路二極體橋式解調電路的結構原理圖。
圖3是本實用新型一種具體結構示意圖。
圖4是圖3卸除上玻璃蓋板的俯視圖。
根據圖1－4詳細說明本實用新型的具體結構。該裝置是在現有矽電容壓力傳感器結構基礎上改進的。它包括封裝在上玻璃蓋板2和下玻璃極板1間的電容C1、C2及與其相配合的接口電路。其中接口電路採用普通類型由D1－D4組成的二極體橋式解調電路。採用n型(100)晶面矽片，以各向異性腐蝕工藝製作矽電容凹腔及連接通道和電極引線通道，於矽電容極板8的同一側端面上，按要求加工Si3N4薄膜3、7。利用加工有壓力通孔4的上玻璃蓋板2和設置有金屬化薄膜電容固定極板的硼矽酸玻璃板製成的下玻璃極板1，與矽電容極板8封裝在一起。矽電容極板凹腔分別與上玻璃蓋板2構成上腔5、6，與下玻璃極板1構成下腔10、11。其中帶有Si3N4薄膜3、7的矽電容極板8與帶金屬化薄膜的電容固定極板間構成電容12(C1)、9(C2)。電容C1、C2是兩個力學結構完全相同的受壓可動電容，並且C1的下腔11由通道13與C2的上腔相連通，C1的上腔5由通道14與2的下腔10相連通，兩通道13、14互不相通。測壓時，壓力經通孔4進入C1上腔5，經通道14進入C2的下腔10。由於兩電容C1、C2的力學結構相同，所以在壓力作用下C1矽極板向下移動△d，與此同時C2矽極板向上移動△d，電容的變化被接至二極體橋式解調電路後輸出為Vout＝2(Vp－Vd)·(C1－C2)／(C1＋C2)＝2(Vp－Vd) (Aε／(do－△d)－Aε／(do＋△d))/(Aε／(do－△d)＋Aε／(do＋△d)) ＝2(Vp－Vd)·△d／d。
因為△d與壓力成正比，所以輸出直流電壓與壓力呈線性關係。同時，由於兩電容都對壓力敏感，故靈敏度比現有技術提高了一倍。
利用本實用新型與現有技術的壓力傳感器在輸出線性度測量數值上進行了比較。結果表明線性度從±10％F·S－±20％F·S，提高到±0.9％F·S。由此可見，該裝置為提高測量精度所提供的技術先進性。另外，由於靈敏度提高一倍，也使測量分辯能力得以顯著提高。
權利要求1.一種單面差動結構線性化矽電容壓力傳感器，包括封裝在上玻璃蓋板和下玻璃極板間的兩電容及與其相配合的接口電路，其特徵是採用矽片製成的矽電容極板加工有Si3N4薄膜的兩端，均位於下玻璃極板的同一側，構成力學結構完全相同的受壓可動電容C1、C2，電容C1的下腔與電容C2的上腔相連通，電容C1的上腔與電容C2的下腔相連通。
2.根據權利要求1所述的傳感器，其特徵是分別連接電容上、下腔的通道，互不相通。
3.根據權利要求1所述的傳感器，其特徵是所用接口電路為二極體橋式解調電路。
專利摘要一種單面差動結構線性化矽電容壓力傳感器，包括封裝在上玻璃蓋板和下玻璃極板間的兩電容及與其相配合的接口電路，其中採用矽片製成的矽電容極板加工有Si3N4薄膜的兩端，均位於下玻璃極板的同一側，構成力學結構完全相同的受壓可動電容C1、C2，電容C1的下腔與電容C2的上腔相連通，電容C1的上腔與電容C2的下腔相連通。它容易製造，可有效解決現有技術中的輸出非線性問題，進一步提高壓力測量精度，顯著提高輸出靈敏度。
文檔編號G01L1/14GK2210389SQ9422943
公開日1995年10月18日 申請日期1994年8月26日 優先權日1994年8月26日
發明者李昕欣, 鮑敏杭 申請人:機械工業部瀋陽儀器儀表工藝研究所